波纹管膨胀节在高炉煤气系统中的腐蚀失效分析

2020-01-20唐冬

中国设备工程 2020年19期

唐冬

（攀钢集团工程技术有限公司，四川攀枝花 617000）

1 波纹管膨胀节使用环境和失效情况

1.1 波纹管补偿器的使用环境

某钢铁公司的高炉工程于2004年6月建设完成，并且开始投入使用。但是，该高炉在使用3个月后就出现了故障，经过调差和研究发现，其出现故障的原因主要是该高炉系统中大部分的波纹管膨胀节都出现了不同程度的损坏，损坏包括失稳、变形、裂纹、穿孔泄漏等。

该高炉系统在设计时采用了很多先进的技术，其中包括煤气全干法除尘新工艺、顶燃式热风炉等。高炉全干法运用的是低压脉冲布袋除尘技术，粗煤气首先通过高炉炉顶的导管输出，输出的时候总共分为三根导管，其中两根是上升导管，一根导管是下降管，煤气通过下降管被输送到重力除尘器里，然后，经过除尘后的净煤气才能被输送到净煤气管道，最后，出调压阀后再被输送到各个管网。高炉系统在运行的时候，其过滤布袋的标准温度范围在100～250℃，而高炉炉顶煤气的标准温度范围也应该在此范围内，但是，在发生事故的时候，高炉的温度已经远远超过了标准的温度范围，达到了500℃。高温不仅会影响高炉系统的安全运行，同时还会减少波纹管膨胀节的使用寿命。

1.2 波纹管膨胀节的设计参数

本次出现事故的高炉的波纹管膨胀节均是由专业的厂家制造，其波纹管膨胀节具体的设计参数如下。设计压力：0.25MPa工作压力：＜0.15MPa，工作温度：100～250℃，环境温度：-15～+40℃，介质含量：10mg/m3，介质流速：30m/s。

2 检测分析

2.1 宏观形貌

在发生事故以后，对部分波纹管膨胀节进行了采样。经过研究发现，大部分波纹管膨胀节的表面都有一种特别的物质，物质外形呈褐色，进过初期判断，应该是波纹管膨胀节与其他介质发生化学反应产生的氧化物。将波纹管膨胀节切开以后可以发现，波纹管膨胀节的内壁有严重氧化的现象，整个内壁基本上已经变为黑色，并且还存在腐蚀的现象。

2.2 裂纹和断口形貌

将采样样本通过扫描电镜放大一百倍以后可以发现，在波纹管膨胀节的表面有很多的裂纹以及点腐蚀坑，并且不同位置的裂纹与点腐蚀坑的规模大小并不一样，但是，经过观察发现，裂纹与点腐蚀坑是存在一定的联系的，基本上所有裂纹的源头都是点腐蚀坑，并且点腐蚀坑附近必定有裂纹。波纹管膨胀节表面与内壁损坏最严重的现象，就是腐蚀孔。腐蚀孔一般都是由腐蚀坑经过深入腐蚀而成的。

2.3 腐蚀产物能谱分析

波纹管膨胀节在经过腐蚀过后，不仅自身会溶解，同时，还会产生不同的腐蚀物。所以在对发生事故的波纹管膨胀节采样样本研究过后发现，其表面不仅有自身的原材料，同时，还有很多呈泥纹状的物质。通过对这些泥纹状的物质研究后发现，这些泥纹状物质一般都含有氧元素、硫元素以及CI元素。

2.4 金相组织

对事故波纹管膨胀节的波纹管部分进行金相组织观察，发现该波纹管膨胀的金相组织为奥氏体不锈钢正常的金相组织。并且经过对比观察发现，腐蚀坑越多的部位，其金相组织中的杂物越多，一般杂物颜色是淡黄色的，体积比较小，通过扫描电镜放大300倍观察发现，这些杂物一般都是方形或者是长方形的。

2.5 化学成分分析

通过相关试验，对发生事故的波纹管膨胀节进行了化学分析，根据化学分析结果显示，波纹管膨胀节已经被破坏了，但是，相关的碳、硅、硫、磷、锰、铬、镍、钼的元素属性还是在标准范围内的。

2.6 波纹管内残留水样成分分析

通过对波纹管内的残留水样进行采样分析发现，其原始样本颜色是透明的，但是，经过一段时间以后，样本的颜色就变成了黄色的。基于这种现象，工作人员对样本进行了酸碱度分析，发现样本是呈酸性的，酸碱度值为5.1。这样来看，波纹管内残留的液体呈酸性，还是有一定的腐蚀性作用的。

3 原因分析

经过上述研究表明，高炉系统中波纹管膨胀节产生腐蚀失效问题的原因来自各个方面，其中最主要的原因有以下几点：

应力腐蚀：通过扫描电镜放大观察波纹管膨胀节表面与内壁的状况发现，波纹管膨胀节不仅产生了点腐蚀现象，形成了点腐蚀坑，同时，还发生了应力腐蚀现象，形成了腐蚀孔。由此可知，应力腐蚀是造成波纹管膨胀节产生腐蚀失效的主要原因之一。

断口形貌：经过上述试验可以知道，本次出现事故的波纹管膨胀节的金相组织是奥氏体不锈钢。而奥氏体不锈钢发生应力腐蚀后，断口会呈解理样。本次发生事故的波纹管膨胀节的断口的样貌同样是解理样的，正好与波纹管膨胀节金相组织产生应力腐蚀的特征一致。因此，也可以推断出造成本次波纹管膨胀节腐蚀失效的原因是应力腐蚀。

通过对波纹管膨胀节表面产生的物质进行化学成分分析发现，这些物质里大多数都含有氧元素、硫元素以及CI元素。但是，奥氏体不锈钢本身并不含有这些元素。这就说明，这些物质并不是波纹管膨胀节本身的物质，而是周围环境里面的。进而就可以说明，波纹管膨胀节产生腐蚀失效的原因并不是因为本身的质量不过关，而是因为周围环境的问题。

经过对波纹管膨胀节进行酸碱度检验可以知道，波纹管膨胀节的酸碱值为5.1，呈酸性，同时，通过对波纹管膨胀节内部残留的水样进行抽样分析发现，残留的水样里面含有大量的氯元素，并且含盐量以及硫酸根的含量都极高，这些元素的存在就极易引起电化学腐蚀。

4 防护措施

为了避免波纹管膨胀节产生腐蚀失效的现象，具体可以采用以下几种措施：

防腐涂料：随着我国科学技术的发展，我国已经发现了很多具有较强抗腐蚀性的材料，并且这些材料都已经通过了国家安全认证，同时，这些具有较强抗腐蚀性的材料都被广泛地应用到了各个领域。要想加强波纹管膨胀节的抗腐蚀性，可以选择涂抹（或喷涂）防腐材料的方法。

喷射碱性液体：一般波纹管膨胀节都是成酸性的，而酸性是提升发生腐蚀概率的主要因素。所以，要想提高波纹管膨胀节的抗腐蚀性，可以通过喷射碱性液体的办法，因为碱性液体可以中和波纹管膨胀节的酸碱值。某高炉系统在建设的时候，就应用了这个方法，效果明显。

针对性地选择合适的耐腐蚀材料：波纹管膨胀节通常选择奥氏体不锈钢（如06Cr19Ni10、022Cr17Ni12Mo2等)作为其波纹管部分材料，此类材料本身具备一定的耐腐蚀性能，但其耐强酸性（主要是氯离子含量高）介质腐蚀能力欠佳。因此，可根据高炉煤气系统中不同的腐蚀性化学成分选择更佳的耐腐蚀性材料。如氯离子含量超高的环境中，可选择254SMo、Incoloy800、Incoloy625等材料作为波纹管膨胀节的波纹管体材料，以切实提升其耐腐蚀能力。